[發明專利]在平面中可移動的、具有壓電驅動的微機電微操縱裝置

在審

• 申請號: 201910107464.5
• 申請日: 2019-02-02
• 公開（公告）號: CN110127590A
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: D·朱斯蒂;L·滕托里
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81B7/00;B81B7/02
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華

本公開的實施例涉及一種在平面中可移動的、具有壓電驅動的微機電微操縱裝置。MEMS操縱裝置具有承載相應的相互面對的夾持元件的第一操縱臂和第二操縱臂。至少第一操縱臂由驅動臂和通過鉸接結構被鉸鏈連接在一起的鉸接臂形成。第一驅動臂包括第一梁元件和在第一梁元件上的第一壓電區域。第一鉸接結構包括在厚度方向上不可變形的第一連接元件以及被插入在第一驅動臂、第一鉸接臂和第一連接元件之間的第一鉸鏈結構。

技術領域

本公開涉及一種在平面中可移動的、具有壓電驅動的微機電操縱裝置。

背景技術

微操縱裝置是已知的。它們可以在接觸或者非接觸模式下操作，并且基于各種物理原理，例如，是光學類型、靜電類型、流體靜力類型(基于伯努利定理)、超聲類型和/或磁性類型。每種類型都具有在特定條件下實現其有利用途而在其它條件下無法實現其有利用途的特性。然而，關于按照簡單的方式以高精度以及低成本來處理各種尺寸(dimension)的非常小型的物體(微米數量級)的能力，沒有一種類型是完全令人滿意的。例如，在微電子應用中，在材料科學、生物學和組織工程學(例如，在對分子、人體組織和生物部分的微操縱中)領域中，這是期望的。

另一方面，使產品(諸如，可以利用半導體技術獲得的微機電系統(MEMS))小型化的趨勢已經刺激了對用于微操縱和組裝的技術的廣泛研究。特別地，開發用于處理和組裝微型物體的小型化系統已經成為未來精密工程的主要挑戰。

因此，提出了基于靜電致動原理使用MEMS技術的微操縱器。然而，即使是MEMS微操縱器也不能完全滿足某些應用中所存在的要求。實際上，可以認為可以利用這些裝置獲得的靜電力很弱。因此，為了獲得足夠的夾持力，向已知的微操縱器提供較高DC電壓，大約100-200V，這是不容易實現的，并且在任何情況下都遠高于在集成電路中通常使用的電壓。

此外，所提出的MEMS微操縱器不易于用于操縱浸沒在液體中的物體和/或顆粒。實際上，在這種類型的裝置中，形成完全包圍操縱器的臂的電絕緣層并不簡單；因此，存在放電風險。為了減少該問題，通常將操縱器的臂設計為具有相當大的長度，以便允許控制相對于臂的夾持端部的移動的部分電絕緣。然而，除了增加裝置的整體尺寸之外，該設計還降低了夾持精度，并且在任何情況下都不總是確保電絕緣。DE 195 23 229公開了未集成的微操縱器，其具有壓電轉換器，該壓電轉換器形成單晶(monomorph)致動器，其在電偏置時長度變化，并且逐頭地膠合到半導體材料的夾持結構。DE 10107 07 402公開了DE 195 23 229的改進，其能夠夾持圓形物體。HP H8 90478和CN 104 7647 347公開了類似的微型夾持器(microgrip)，其需要部件的組裝操作，并且不是以單片方式進行制造的。

于2016年12月29日提交的意大利專利申請號102016000132144(與通過引用并入的歐洲專利申請號17177446.6和美國專利申請公開號2018/0190895相對應)描述了由梁元件和在該梁元件上延伸的壓電區域形成的壓電類型的微致動器，該梁元件由半導體材料制成。梁元件的一個端部被固定，而另一端部被連接至在梁的厚度的方向上不可變形的約束結構的鉸鏈元件。如在該專利申請中詳細解釋的，由于約束結構在厚度方向上不可變形并且借助于鉸鏈元件，因此，向壓電區域施加電壓導致梁元件實際上僅在其延伸平面中變形。

在上面的專利申請中描述的微致動器是非常有利的，因為可以通過使用傳統的半導體微制造技術(因此，以降低的成本，按照高度可控并且可靠的方式)來制造該微致動器。

因此，期望向本文中所考慮的類型的微操縱器應用相似的操作原理。

本領域需要一種可以通過使用MEMS技術并且基于壓電操作原理(即，因此，便宜、可靠、易于控制并且向本領域的技術人員提供相當大的設計自由度)來制造的微操縱器。

發明內容